油菜寬幅播種作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

丁幼春，陳禮源，董萬(wàn)靜，王萬(wàn)超，劉曉東，王凱陽(yáng)，劉偉鵬

油菜寬幅播種作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

丁幼春，陳禮源，董萬(wàn)靜，王萬(wàn)超，劉曉東，王凱陽(yáng)，劉偉鵬

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

針對(duì)油菜寬幅播種作業(yè)過(guò)程中播量監(jiān)測(cè)與漏播檢測(cè)的問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了一種適用于寬幅播種的油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由播種監(jiān)測(cè)終端與種子流傳感檢測(cè)模塊構(gòu)成，可通過(guò)改變連接種子流傳感檢測(cè)模塊的數(shù)量，適配不同作業(yè)幅寬的播種機(jī)。種子流傳感檢測(cè)模塊將種子穿過(guò)感應(yīng)面生成的單脈沖排種信號(hào)并傳遞給播種監(jiān)測(cè)終端；播種監(jiān)測(cè)終端利用I2C總線對(duì)端口擴(kuò)展用于接收多路油菜種子的排種信號(hào)，并生成油菜排種過(guò)程的多路種子流排種時(shí)間間隔序列，用于實(shí)現(xiàn)各行播量、排種頻率的計(jì)量，并依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)播種作業(yè)進(jìn)行漏播判定。在播種監(jiān)測(cè)終端內(nèi)構(gòu)建MariaDB服務(wù)器用于對(duì)播量、排種頻率和漏播狀態(tài)等播種狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、管理，為田間管理與處方作業(yè)提供支持。播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)表明，在排種頻率不高于32.73 Hz時(shí)，播量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率不低于97%，滿(mǎn)足播種監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性要求；在排種器不產(chǎn)生嚴(yán)重漏播（漏播指數(shù)≤15%）時(shí)，漏播指數(shù)檢測(cè)值與高精度的視覺(jué)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的最大偏差為2.21個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)果表明播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)油菜播種的播種監(jiān)測(cè)與漏播檢測(cè)的準(zhǔn)確性滿(mǎn)足使用要求。田間試驗(yàn)表明針對(duì)油菜播種的田間播種播量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率不低于96.5%，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在田間作業(yè)環(huán)境下可穩(wěn)定工作。該油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為油菜播種的作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支持。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；監(jiān)測(cè)；漏播檢測(cè)；油菜種子流；數(shù)據(jù)庫(kù)

0 引 言

寬幅播種機(jī)具有工作幅寬廣、作業(yè)效率高的特性，對(duì)提升油菜種植的規(guī)?；?、播種的機(jī)械化水平具有積極意義[1-2]；油菜播種作業(yè)過(guò)程的播量統(tǒng)計(jì)、排種器工作性能檢測(cè)有利于播種環(huán)節(jié)的透明化、智能化、信息化[3]。研究一種適用于油菜寬幅播種機(jī)的播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)播種過(guò)程中播量的監(jiān)測(cè), 對(duì)于提升油菜播種作業(yè)信息化程度，推動(dòng)機(jī)械化播種作業(yè)質(zhì)量發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者和企業(yè)對(duì)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做了大量的研究。Hadi等[4-7]基于種子流監(jiān)測(cè)的紅外激光二極管陣列傳感器構(gòu)建了田間播種監(jiān)測(cè)裝置和播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了種子流量的測(cè)算。盧彩云等[8]基于CAN總線設(shè)計(jì)了一種小麥播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并分別設(shè)計(jì)了播種監(jiān)測(cè)模塊與監(jiān)測(cè)終端，用于對(duì)播種機(jī)系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。趙立新等[9]通過(guò)變距光電傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)小麥精量播種與施肥實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能作業(yè)過(guò)程中的種肥缺失、堵塞、泄漏快速警報(bào)。紀(jì)超等[10]設(shè)計(jì)了一種玉米排種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)玉米排種過(guò)程的漏播、重播等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。黃東巖等[11]基于GPS和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)玉米排種質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。美國(guó)Precision Planting、意大利MC ELECTRONICS等[12-14]公司研制了可對(duì)小麥、玉米等大、中粒徑種子的排種量、播種面積等播種過(guò)程狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。上述研究與應(yīng)用主要針對(duì)于玉米、小麥等種子的精量播種監(jiān)測(cè)與排種器故障檢測(cè)，且部分產(chǎn)品價(jià)格昂貴，難以適應(yīng)以油菜為代表的小粒徑種子的監(jiān)測(cè)，但對(duì)油菜等小粒徑播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

針對(duì)小粒徑種子的播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)的研究者也進(jìn)行了些探索性研究。邱兆美等[15]基于矩形紅外面檢測(cè)的光電傳感器結(jié)合CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)了小粒徑種子播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)落種影像采集與光電傳感器實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)監(jiān)測(cè)的可視化。胡飛等[16]通過(guò)光纖傳感器基于LabVIEW設(shè)計(jì)了蔬菜精密播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)不同類(lèi)型的小粒徑種子實(shí)現(xiàn)了單粒感應(yīng)。丁幼春等[17-20]基于多種傳感方式，結(jié)合nRF無(wú)線傳輸模式，設(shè)計(jì)了適用于小粒徑種子的播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了油菜精量播種作業(yè)質(zhì)量與播種量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與計(jì)量，但缺乏排種相關(guān)信息的管理、存儲(chǔ)模式與方法，難以對(duì)監(jiān)測(cè)的播種信息進(jìn)一步價(jià)值化。

目前國(guó)外內(nèi)的播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以適用于高效的寬幅油菜播種機(jī)。一方面，小粒徑種子精量播種的播種作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的配套硬件成本往往遠(yuǎn)高于播種機(jī)價(jià)格，在寬幅播種中隨著排種通道路數(shù)增加，傳感裝置數(shù)量的增多使得整套系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成本進(jìn)一步上升，不利于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在寬幅播種中的應(yīng)用；另一方面，現(xiàn)有播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)多路并行監(jiān)測(cè)的排種的信息管理模式還不完善，限制了播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在油菜播種作業(yè)中的應(yīng)用。

綜上分析，本文設(shè)計(jì)了一種多行并行監(jiān)測(cè)的油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)寬幅油菜播種作業(yè)的播量監(jiān)測(cè)和漏播檢測(cè)，通過(guò)構(gòu)建本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)對(duì)播種監(jiān)測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，并在2BFM-12油菜播種機(jī)上開(kāi)展了田間試驗(yàn)，以期實(shí)現(xiàn)寬幅油菜播種機(jī)的田間播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

1 油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由種子流傳感檢測(cè)模塊與播種監(jiān)測(cè)終端構(gòu)成，油菜種子流傳感裝置安裝于油菜精量排種器投種口下方的輸種管道上，經(jīng)由排種器排出的種子流通過(guò)種子流傳感檢測(cè)模塊生成排種序列脈沖信號(hào)。播種監(jiān)測(cè)終端通過(guò)對(duì)排種脈沖信號(hào)的邊沿檢測(cè)進(jìn)行種子流的識(shí)別。油菜種子流傳感裝置與播種監(jiān)測(cè)終端之間通過(guò)GX-12航空插座進(jìn)行連接，傳感裝置將脈沖信號(hào)傳輸給監(jiān)測(cè)終端，監(jiān)測(cè)終端為傳感裝置的工作供電。監(jiān)測(cè)終端內(nèi)部通過(guò)信號(hào)傳遞電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行電平匹配，部分信號(hào)脈沖信號(hào)直接輸入至GPIO引腳；部分信號(hào)經(jīng)由I/O擴(kuò)展模塊通過(guò)I2C總線將脈沖信號(hào)傳遞給終端內(nèi)部的樹(shù)莓派3B+計(jì)算機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 種子流傳感裝置設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了一種小粒徑種子流監(jiān)測(cè)裝置，該裝置運(yùn)用薄面激光發(fā)射模組對(duì)射到硅光電池的光被種子局部遮擋致使傳感器兩端電勢(shì)差產(chǎn)生變化的響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)了種子流的感應(yīng)。

基于該原理，本文重新設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所適用的種子流傳感檢測(cè)模塊，結(jié)合傳感器底噪與種子經(jīng)過(guò)感應(yīng)區(qū)域所生成響應(yīng)信號(hào)的幅頻特性，對(duì)種子流傳感檢測(cè)模塊所使用的種子流感應(yīng)后電路進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，以期進(jìn)一步提高種子流感應(yīng)電路的響應(yīng)性能。

傳感裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括入種口、出種口、上導(dǎo)管、下導(dǎo)管、薄面激光發(fā)射器、硅光電池、信號(hào)處理電路板等。傳感裝置通過(guò)外部供電驅(qū)動(dòng)薄面激光發(fā)射器與信號(hào)處理電路板工作，使由上導(dǎo)管穿越到下導(dǎo)管的種子被硅光電池所感知。

種子穿過(guò)薄面光層所需的時(shí)間與穿越光層時(shí)的速度相關(guān)，該速度來(lái)自排種器出種口處的下落帶來(lái)的重力勢(shì)能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。忽略種子下落過(guò)程中空氣阻力與管壁碰撞造成的速度損失，種子穿越光層的時(shí)間速度關(guān)系有：

解得種子穿越感應(yīng)面的最長(zhǎng)時(shí)間為

式中為種子的直徑，為2.2 mm；為激光層的厚度，為1 mm；為重力加速度，取9.8 m/s2；為排種器出種口到傳感裝置的高度，不低于0.8 m。在此高度下計(jì)算得穿越光層的時(shí)間約為0.8 ms。實(shí)際排種過(guò)程中種子與管壁碰撞、摩擦?xí)斐梢欢ǖ膭?dòng)能損失，種子穿越感應(yīng)面的時(shí)間一般在2 ms以?xún)?nèi)。

硅光電池兩端的電壓變化經(jīng)由種子流感應(yīng)電路經(jīng)濾波、放大、電壓比較、電平匹配等環(huán)節(jié)，形成與種子流相對(duì)應(yīng)的排種脈沖序列信號(hào)，生成脈沖序列后將脈沖傳輸給監(jiān)測(cè)終端。

基于上述環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路，如圖3所示，種子流感應(yīng)電路中增設(shè)低通濾波器以濾除信號(hào)所攜帶的高頻雜波；利用光電耦合器TLP-521替換文獻(xiàn)[17]是信號(hào)處理電路使用的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，通過(guò)調(diào)整光電耦合器的陰極限流電阻與發(fā)射極限流電阻之間的比例關(guān)系，對(duì)比較電路輸出的信號(hào)方波的上升沿與下降沿的轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行平滑，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為規(guī)整的方波。優(yōu)化后的電路降低了單粒種子響應(yīng)信號(hào)的電平變化持續(xù)時(shí)間，對(duì)油菜種子流，信號(hào)響應(yīng)持續(xù)時(shí)間約為2 ms，響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較優(yōu)化前降低了約30%，使得傳感裝置具有更好的響應(yīng)性能。

2.2 播種監(jiān)測(cè)終端與終端內(nèi)部電路設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)功能的可拓展性，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以樹(shù)莓派3B+計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)GPIO的外部中斷功能對(duì)排種脈沖序列信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，用于計(jì)算機(jī)對(duì)種子的感知。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)多路排種監(jiān)測(cè)，通過(guò)并口擴(kuò)展芯片PCF8574，基于I2C總線，使PCF8574的P0～P7對(duì)I/O端口進(jìn)行擴(kuò)展。PCF8574基于INT端口對(duì)P0～P7上接收的外部中斷進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)P0～P7中存在電平變化時(shí)，INT端口低電平觸發(fā)，使GPIO.7端口觸發(fā)外部中斷，中斷內(nèi)通過(guò)對(duì)P0～P7端口狀態(tài)的進(jìn)行讀取，判斷產(chǎn)生信號(hào)的通道并記錄中斷生成時(shí)刻。PCF8574通過(guò)A0～A2端口對(duì)地址進(jìn)配置，用于并口擴(kuò)展芯片的多片掛載，I2C總線至多可讀取64路信號(hào)的輸入。本文以12路油菜寬幅播種監(jiān)測(cè)為例，在播種監(jiān)測(cè)終端內(nèi)掛載1片PCF8574，通過(guò)I2C總線接收8路外部中斷，GPIO引腳接收4路外部中斷，用于實(shí)現(xiàn)12路的多行并行監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)供電由內(nèi)置12 V鋰電池提供，可通過(guò)開(kāi)關(guān)將電源切換至拖拉機(jī)蓄電池，用于監(jiān)測(cè)終端內(nèi)部電路與傳感檢測(cè)模塊的供電。監(jiān)測(cè)終端中，樹(shù)莓派3 B+與觸控顯示屏的工作電壓為5 V；PCF8574、TLP-521的供電電壓為3.3 V。通過(guò)對(duì)電源進(jìn)行降壓的方式用于給各部件提供穩(wěn)定的電壓。選用VRB1205YMD為監(jiān)測(cè)終端內(nèi)部器件提供5 V供電，將電源的12 V電壓降至5 V；選用K7803為監(jiān)測(cè)終端內(nèi)部器件提供3.3 V供電，將12 V的電壓降低至3.3 V，通過(guò)在K7803的電源輸入端串聯(lián)10H的差模電感減小電源模塊間的干擾。監(jiān)測(cè)終端與種子流傳感檢測(cè)模塊連接的接口為傳感檢測(cè)模塊提供12 V的供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件主要包括4個(gè)功能：系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)、播種狀態(tài)數(shù)據(jù)處理、圖形界面與觸控交互與數(shù)據(jù)庫(kù)播種信息管理。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用Python3編程。系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)接受外部中斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)種子流的感知；播種狀態(tài)數(shù)據(jù)處理程序定時(shí)更新各行的排種頻率、漏播指數(shù)等播種信息；圖形界面與觸控交互程序設(shè)計(jì)了圖形化界面和界面的交互邏輯用于播種信息的顯示與通過(guò)觸控點(diǎn)擊進(jìn)行交互；數(shù)據(jù)庫(kù)播種信息管理程序基于MariaDB數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)播種信息的管理。整個(gè)系統(tǒng)的程序流程如圖5所示。

程序首先對(duì)系統(tǒng)硬件與全局變量進(jìn)行初始化設(shè)置,包括GPIO引腳的輸入輸出的初始化、圖形界面的初始化與數(shù)據(jù)庫(kù)的初始化。

系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)采用WiringPi的I/O引腳控制庫(kù)對(duì)引腳的輸入輸出進(jìn)行定義與初始化，各路中斷通過(guò)分配獨(dú)立線程的方式，并行處理外部中斷的信號(hào)接收。通過(guò)排種脈沖序列的邊沿變化的下降沿觸發(fā)外部中斷，中斷函數(shù)記錄對(duì)應(yīng)種子穿越傳感檢測(cè)模塊的感應(yīng)面的排種時(shí)刻信息，并計(jì)算相鄰兩粒種子落下的時(shí)間間隔，將該時(shí)間間隔以列表的形式存入指定變量中，用于排種頻率和漏播指數(shù)的計(jì)算，中斷函數(shù)執(zhí)行的時(shí)間為100～300s，其執(zhí)行用時(shí)小于傳感檢測(cè)電路所生成的信號(hào)寬度，能滿(mǎn)足多路并行監(jiān)測(cè)的要求。

播種狀態(tài)數(shù)據(jù)處理通過(guò)獨(dú)立線程，每秒定時(shí)讀取各路的播量與排種時(shí)間間隔序列，對(duì)排種頻率和漏播指數(shù)等播種狀態(tài)信息進(jìn)行更新。對(duì)各行分別基于排種的時(shí)間間隔計(jì)算平均排種時(shí)間間隔，并參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[21]，以落種的時(shí)間間隔映射粒距關(guān)系，由程序計(jì)算漏播指數(shù)、合格指數(shù)等播種狀態(tài)，對(duì)排種的漏播與重播進(jìn)行判定，并判斷漏播與重播的狀態(tài)和程度。

圖形界面與觸控交互程序基于Pygame庫(kù)對(duì)圖形界面與觸控交互邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)與編寫(xiě)。通過(guò)觸控點(diǎn)擊觸發(fā)按鍵中斷更改界面索引值切換不同的界面，程序提供展示對(duì)應(yīng)路的詳細(xì)排種狀況的二級(jí)界面與展示整體播量和當(dāng)前排種頻率概覽的總界面。其中二級(jí)界面通過(guò)堆棧進(jìn)出的方式，讀取近240 s的排種頻率信息并繪制排種頻率的折線圖，并展示對(duì)應(yīng)通道的播量、排種頻率、漏播和重播信息；總界面結(jié)合柱狀圖顯示實(shí)時(shí)排種頻率和排種總量。主界面“清零”按鈕對(duì)各通道的信息進(jìn)行復(fù)位，“保存”按鈕生成.csv文件用于排種過(guò)程所記錄的數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和進(jìn)一步分析。

播種信息管理采用MariaDB構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)播種信息進(jìn)行保存與管理，用于歷史播種狀態(tài)信息的查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)。依據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的播量、排種頻率和一秒內(nèi)的排種時(shí)間間隔，生成包含播種狀態(tài)信息的SQL語(yǔ)句，通過(guò)pymysql執(zhí)行對(duì)應(yīng)SQL語(yǔ)句，完成將信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，每秒在數(shù)據(jù)庫(kù)中插入1條數(shù)據(jù)。對(duì)播種狀態(tài)信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式與含義

4 播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)所用的材料為中雙11號(hào)油菜種子。試驗(yàn)主要使用的儀器包括離心式排種器[22-23]、氣力式油菜精量排種器[24]、JPS-12計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)[25]、轉(zhuǎn)速表、油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、接種袋、計(jì)時(shí)器、SLY-C微電腦自動(dòng)數(shù)粒儀（浙江托普儀器有限公司）。

為評(píng)估播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的播量監(jiān)測(cè)與漏播檢測(cè)的準(zhǔn)確性，分別設(shè)計(jì)了播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)播量監(jiān)測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)與漏播檢測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)架如圖6所示。

4.1.1 播量監(jiān)測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康脑谟谠u(píng)估油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及多路并行監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，并基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在播量監(jiān)測(cè)誤差的原因。

選用有12個(gè)導(dǎo)種管的離心式排種器設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行排種監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，將種子流傳感檢測(cè)模塊放置于離心式排種器下方，用軟管連接導(dǎo)種管與種子流傳感檢測(cè)模塊的入種口，使用接種袋收集通過(guò)檢測(cè)模塊的油菜種子。通過(guò)改變排種盤(pán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)單位時(shí)間內(nèi)的排種量的大小。為使排種器工作于正常排種頻率區(qū)間范圍內(nèi)，分別設(shè)定轉(zhuǎn)速為95、110、125 r/min。記錄排種器運(yùn)行時(shí)間和播種監(jiān)測(cè)終端顯示的排種粒數(shù)；采用人工數(shù)種的方式，獲得每個(gè)接種袋中油菜種子的實(shí)際粒數(shù)。并通過(guò)監(jiān)測(cè)播量與實(shí)際播量的差計(jì)算對(duì)應(yīng)傳感裝置試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，用于評(píng)價(jià)播量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

4.1.2 漏播檢測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)

為進(jìn)一步評(píng)估播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)漏播檢測(cè)的準(zhǔn)確性，運(yùn)用氣力式油菜精量排種器進(jìn)行排種，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)在排種器穩(wěn)定工作狀態(tài)下測(cè)量漏播指數(shù)，并將獲得的漏播指數(shù)與油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的漏播指數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)選用40型孔的排種盤(pán)，調(diào)節(jié)排種器投種正壓為400 Pa，吸種負(fù)壓為1 400 Pa[24]，使排種器處于最佳工作狀態(tài)。設(shè)定排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為20 r/min，利用視覺(jué)排種器試驗(yàn)臺(tái)與配套的排種性能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的排種器漏播指數(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)記錄油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)算的漏播指數(shù)。排種性能檢測(cè)系統(tǒng)和油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在排種器處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)下記錄，重復(fù)3次，作為排種器正常工作狀態(tài)下所測(cè)定的漏播指數(shù)結(jié)果。獲取排種器正常工作狀態(tài)下的漏播指數(shù)。隨后通過(guò)人為堵塞排種盤(pán)部分型孔與調(diào)節(jié)排種器負(fù)壓大小，造成排種器產(chǎn)生不同程度的漏播，重復(fù)上述漏播指數(shù)的記錄過(guò)程。將試驗(yàn)臺(tái)所獲得的排種性能檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲得的漏播指數(shù)進(jìn)行對(duì)比，用于評(píng)價(jià)本文所設(shè)計(jì)的油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的漏播檢測(cè)性能。

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1 播量監(jiān)測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析

播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的播量監(jiān)測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果（表2）表明：排種總量的監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值基本保持同步增大，臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中播量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率不低于97%，隨著排種頻率的增加，播量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率逐漸降低。其原因在于較高的排種頻率會(huì)致使種子流會(huì)在傳感裝置內(nèi)部發(fā)生碰撞，多粒種子同時(shí)穿越感應(yīng)面的概率增大，感應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生混疊的概率上升，使得多粒種子被記為1粒。致使監(jiān)測(cè)值比實(shí)際值整體偏小。系統(tǒng)播量監(jiān)測(cè)的精度滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)使用需求。

表2 排種器在不同轉(zhuǎn)速下的播量監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.2.2 漏播檢測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果分析

播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的漏播檢測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果（表3）表明：播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)正常工作狀態(tài)下的漏播程度進(jìn)行評(píng)估，排種器處于最佳工作狀態(tài)時(shí)，播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)漏播指數(shù)檢測(cè)值與視覺(jué)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的最大偏差為1.73個(gè)百分點(diǎn)。

表3 排種器正常工作狀態(tài)下漏播檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)一步地，隨著排種器漏播的產(chǎn)生，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得的漏播指數(shù)隨排種器實(shí)際漏播指數(shù)變化而變化。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)油菜排種的漏播檢測(cè)存在一定的系統(tǒng)誤差，使漏播指數(shù)的檢測(cè)值偏低。其原因在于播量監(jiān)測(cè)的測(cè)量值小于實(shí)際值，使得測(cè)算的排種平均時(shí)間間隔偏高。這增加了漏播判定的閾值，使得漏播指數(shù)的檢測(cè)值偏低。

表4 排種器經(jīng)處理狀態(tài)下漏播檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

上述試驗(yàn)表明：在不產(chǎn)生嚴(yán)重漏播（漏播指數(shù)≤15%）[26]時(shí)，漏播指數(shù)檢測(cè)值的最大偏差為2.21個(gè)百分點(diǎn)，2套系統(tǒng)對(duì)于漏播檢測(cè)的結(jié)果具有較好的一致性。上述結(jié)果表明，對(duì)于穩(wěn)定工作的排種器，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能依據(jù)測(cè)量的漏播指數(shù)較準(zhǔn)確地判斷漏播現(xiàn)象與漏播程度，用于對(duì)播種質(zhì)量的評(píng)價(jià)與參考；對(duì)于工作性能異常的排種器，也能對(duì)是否處于漏播狀態(tài)進(jìn)行判定。

4.3 田間試驗(yàn)

4.3.1 設(shè)備與方法

為考察播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在田間復(fù)雜的工作狀況下的工作穩(wěn)定性與監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，于2020年9月8日于湖北荊州監(jiān)利容城鎮(zhèn)開(kāi)展播種監(jiān)測(cè)田間試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備為：東風(fēng)井關(guān)T954-PVCY輪式拖拉機(jī)（動(dòng)力輸出功率≥66.2 kW，四輪驅(qū)動(dòng)），2BMF-12型播種機(jī)、離心式排種器、油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

在播種監(jiān)測(cè)試驗(yàn)前，首先檢驗(yàn)光照條件對(duì)種子流傳感裝置的影響。種箱內(nèi)不放種子，利用塑料軟管將檢測(cè)裝置入種口與排種器出種口逐一連接，使播種機(jī)處于田間靜止?fàn)顟B(tài)，連接監(jiān)測(cè)終端與傳感裝置，打開(kāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在太陽(yáng)光照、人為打光、人為遮擋自然光條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：在田間正常光照條件下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)數(shù)始終為0，田間正常光照條件對(duì)檢測(cè)裝置工作無(wú)影響。

進(jìn)一步測(cè)試播種機(jī)在正常播種時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的影響，種箱內(nèi)不放種子，讓播種機(jī)在田間以正常播種速度行駛40 m，模擬振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明：在播種機(jī)行駛過(guò)程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)數(shù)始終為0，上述測(cè)試表明田間正常的光照條件與播種機(jī)正常作業(yè)產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作無(wú)影響。

進(jìn)一步檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)田間監(jiān)測(cè)的效果，在種箱中放入適量的油菜種子，通過(guò)接種袋收集輸種管出口排出的油菜種子，監(jiān)測(cè)終端置于拖拉機(jī)后方的播種機(jī)上。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

試驗(yàn)參照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《2018-2019年度冬油菜生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)》計(jì)算符合播種要求的排種頻率。排種器的排種頻率計(jì)算式為

式中為排種器的排種頻率，Hz；為播量，kg/hm2；為播種機(jī)幅寬，m；為播種機(jī)工作行數(shù)；為種子的千粒質(zhì)量，g；為播種機(jī)行進(jìn)速度，m/s。

油菜符合農(nóng)藝要求的播量為3～6 kg/hm2，結(jié)合播種機(jī)的正常工作速度2.0～3.6 km/h，作業(yè)幅寬2.5 m，在播種機(jī)正常工作的速度區(qū)間范圍內(nèi)，符合播種密度要求的排種頻率為8.27～29.76 Hz。

通過(guò)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)播種機(jī)的排種頻率，在拖拉機(jī)慢III檔，約0.85 m/s的行進(jìn)速度下，每個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行1次試驗(yàn)，使得試驗(yàn)過(guò)程中的排種頻率范圍在播種密度要求的排種頻率區(qū)間內(nèi)。每次試驗(yàn)播種距離40 m，記錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所檢測(cè)的排種數(shù)量，并通過(guò)接種袋收集各次試驗(yàn)中所排出的油菜種子。后期進(jìn)行人工數(shù)粒，與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，通過(guò)監(jiān)測(cè)播量與實(shí)際播量的差計(jì)算對(duì)應(yīng)傳感裝置試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，用于對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)田間工作下的工作穩(wěn)定性與可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：8.96～28.16 Hz的排種頻率范圍時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)油菜播種量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率保持在96.5%以上。在符合播種要求的排種頻率下，播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在田間工作穩(wěn)定可靠。

表5 油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)田間試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于寬幅播種機(jī)，面向聯(lián)合作業(yè)播種的油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了播量監(jiān)測(cè)與漏播檢測(cè)的性能試驗(yàn)，并在2BFM-12寬幅油菜播種機(jī)上開(kāi)展了田間試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)工作的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1）本文對(duì)種子流傳感裝置進(jìn)行了改進(jìn)，降低了單粒種子響應(yīng)信號(hào)的電平變化持續(xù)時(shí)間，使得傳感裝置具有更好的響應(yīng)性能。

2）本文的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)播種過(guò)程的信息進(jìn)行管理，保存了播種機(jī)過(guò)程中的排種時(shí)刻序列，為播種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理的方法提供一種參考。

3）播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)與田間表明了播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，臺(tái)架試驗(yàn)中，播量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性不低于97%；不產(chǎn)生嚴(yán)重漏播時(shí)，漏播指數(shù)的檢測(cè)值與視覺(jué)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)所測(cè)的偏差不高于2.21個(gè)百分點(diǎn)。田間試驗(yàn)中，油菜種子播量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率不低于96.5%，系統(tǒng)在田間工作可靠, 田間光照和機(jī)具振動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)無(wú)影響。

未來(lái)可結(jié)合高精度北斗定位技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為田間的播種的播量圖、漏播狀態(tài)圖與變量補(bǔ)種處方作業(yè)提供支持。

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Design and experiment of the sowing monitoring system for a wide-width rapeseed planter

Ding Youchun, Chen Liyuan, Dong Wanjing, Wang Wanchao, Liu Xiaodong, Wan Kaiyang, Liu Weipeng

(1.,,430070,; 2.-,,430070,)

Sowing is one of the most important processes in agricultural production. The efficiency and quality of sowing also dominate deeply the growth and yield of crops. Precision sowing in mechanized seeding aims to achieve a high yield of crops under reasonable planting density in recent years. It is highly urgent to accurately monitor the sowing amount, frequency, and work quality of planter for visualization and digitalization in precision sowing. A wide-width planter can be expected to significantly improve productivity during large-scale planting, especially for rapeseed production. However, most planters are difficult to adjust the working parameters suitable for agronomic requirements, because the real-time sowing frequency fails to be detected during the traditional sowing, particularly for the small seeds, such as rapeseed. Furthermore, the state-of-the-art precise sensors have increased the cost of the monitoring quite a lot. It is still lacking to deal with the real-time data during the sowing in the current system. In this study, a rapeseed sowing monitoring system was proposed for the wide-width planter (named 2BMF-12), thereby significantly improving the quality of planting scale and mechanized production. The quality of sowing was also evaluated during the rapeseed sowing. The 2BMF-12 planter was utilized to support up to 12 rows of sowing at the same time. The monitoring system included 12 seed-sensing devices and a detecting terminal. The seed-sensing devices were placed on the planter under the sowing pipe lines, in order to collect the information of seeds crossing the sensing area and generate electrical signals. The terminal received the electrical signals as external interrupts using multithreading I2C bus to expand ports, in order to receive more interrupts-channel at the same time. In this case, the terminal was designed to monitor 12 rows, where more rows were set under parallel connecting the chips, named PCF8574 on the I2C bus. Then, the sowing amount and frequency were measured for each row of the planter. The leakage and qualified index of sowing were thus counted, according to national standards. Local database was used to manage and store in the assigned table of the database once a second. MariaDB server was built in the sowing monitoring terminal for real-time storage and management parameters during the planters running, such as sowing amount, sowing frequency, the leakage, and qualified index. Bench and field tests showed that the seeding monitoring system was stable to real-time detect the status and leakage index during sowing. Specifically, the system error was 2.21 percentage points for the degree of leakage, while there was no severity leakage occurred in the planter. The accuracy rate of the monitoring system was not less than 96.5% for rapeseed sowing, suitable for the farm. This finding can provide for the quality evaluation of rape seeding operations in the future. It can be possible to combine with high-precision BeiDou positioning satellite and mobile internet, thereby supporting the sowing amount and leaking state maps generating for the sowing in the fields.

agricultural machinery; monitoring; loss sowing detection; rapeseed flow; database

丁幼春，陳禮源，董萬(wàn)靜，等. 油菜寬幅播種作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(13)：38-45.

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.005 http://www.tcsae.org

Ding Youchun, Chen Liyuan, Dong Wanjing, et al. Design and experiment of the sowing monitoring system for a wide-width rapeseed planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 38-45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.005 http://www.tcsae.org

2021-03-19

2021-06-19

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020BAB097）

丁幼春，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛筒藱C(jī)械化生產(chǎn)智能化技術(shù)與裝備。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.005

S224.21

A

1002-6819(2021)-13-0038-08